Книга Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты - Элизабет Эрвин-Бланкенхайм

образованием газа гелия-3 (3He) составляет 12,43 года. Тритий представляет особый интерес для геологии, поскольку он имеет относительно короткий период жизни и его можно использовать для оценки возраста подземных вод и влияния поверхностных вод на подземные. Это один из многих методов применения радиоактивных изотопов в науках о Земле.

Материнские изотопы – это исходные изотопы горной породы или минерала, которые претерпевают распад. Дочерние изотопы – это изотопы, в которые превращаются материнские изотопы в результате распада с особой скоростью, называемой периодом полураспада (см. таблицу 4.1). Период полураспада – эквивалент константы распада для радиоактивного изотопа. Периоды полураспада разных изотопов варьируют в широком диапазоне: от относительно короткого, как в случае трития, до очень большого, как в случае урана. Следовательно, использование изотопов различается в соответствии с диапазоном времени, который охватывает их период полураспада. Благодаря этим свойствам изотопы превращаются в полезный инструмент датирования отложений, минералов или горных пород различного возраста, даже исчисляемого миллиардами лет.

Подземные воды наряду с поверхностными являются одним из важнейших источников воды для живых организмов. Они представляют собой часть гидросферы и взаимосвязаны с остальными оболочками Земли. Возраст подземных вод различен и зависит от того, насколько быстро пополняются их запасы за счет воды, просачивающейся с поверхности, или связи с озерами, ручьями и реками. Знание возраста подземных вод помогает определить, легко ли восполняются запасы и можно ли их использовать в качестве постоянного источника питьевой воды. Гидрологи обычно по присутствию трития определяют возраст и источник подземных вод. Подземные воды, возраст которых находится в диапазоне 60–100 лет, гидрологи считают «молодыми», что следует из короткого периода полураспада трития. Тритий – удобный изотоп, потому что, хотя он относительно редко встречается в природе (он образуется в низких концентрациях в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой), его содержание довольно просто определить. Содержание трития измеряется в тритиевых единицах (ТЕ): 1 ТЕ равна отношению 1 атома трития к 1018 атомов водорода. До 1950 г. концентрации трития в подземных водах были низкими (менее 0,8 ТЕ)[196]. Большая часть современного трития образовалась в результате испытаний термоядерного оружия в атмосфере в период с середины 1950-х до середины 1960-х гг. Пик выбросов пришелся на 1963 г.: в этот период концентрация трития достигала 1,3×109 ТЕ. Тритий в высоких концентрациях смешивался с облаками и в результате выпадения атмосферных осадков поступал в океаны, а также в поверхностные и подземные воды. В период, когда проводился максимум испытаний бомб, станции во многих странах Северного полушария фиксировали концентрации трития в осадках на уровне 5000 ТЕ[197]. Количество трития в подземных водах служит индикатором давности его происхождения и того, происходило ли пополнение запасов подземных вод за счет воды с поверхности[198]. Возраст подземных вод полезно знать для размещения водозаборных скважин и колодцев. Если возраст резервуара подземных вод составляет десятки тысяч лет, вода в нем древняя и не будет возобновляться из других источников. Такое хранилище нельзя рассматривать в качестве устойчивого источника питьевой воды, потому что резервуар будет быстро исчерпан и не сохранится.

Таблица 4.1. Радиоактивные элементы: материнские и дочерние изотопы, диапазон возраста и датируемые материалы

Со временем исчерпание и истощение антропогенного (связанного с деятельностью человека) трития в поверхностных и подземных водах приведет к тому, что он станет менее полезным индикатором возраста воды. Другими радиоактивными элементами, используемыми для датирования подземных вод, осадков, археологического материала и других материалов, содержащих углерод, являются углерод-14 и изотопы кислорода. Более 99 % всех атомов углерода на Земле стабильны, и их ядра содержат 6 нейтронов (углерод-12); они не подвергаются радиоактивному распаду. Другие изотопы углерода имеют разное число нейтронов. Один из наиболее хорошо известных изотопов – углерод-14, ядро которого состоит из такого же количества протонов, что и ядро углерода-6, но имеет 8 нейтронов, поэтому углерод-14 тяжелее и является слаборадиоактивным. Этот изотоп углерода нестабилен и подвергается радиоактивному распаду, период полураспада составляет 5730 лет. Данные о содержании углерода-14 позволяют геологам точно определять возраст многих горных пород и минералов.

Другие изотопы, например урана, действуют как еще одни «часы в камне». Процесс соответствует описанному выше – происходит распад материнских изотопов с образованием дочерних, – но периоды полураспада намного больше. Например, датирование кристаллов циркона с помощью количественных методов дало несколько оценок самого древнего возраста на планете.

Современная шкала геологического времени

Стивен Джей Гулд в своей книге «Чудесная жизнь: сланцы Бёрджесс и природа истории» (Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History), опубликованной в 1989 г., рассказывает, что, пытаясь научить своих студентов запоминать периоды шкалы геологического времени, он перепробовал мнемонические техники, игры, словесные ассоциации – любые средства для запоминания подразделений времени, – но ничего особенно не помогало. Гулд пишет, что не беспокоился бы о неудачах какой-то части студентов, если бы периоды представляли собой случайные интервалы шкалы, но они таковыми не являются:

История жизни представляет собой не запись непрерывного развития, а летопись, в которой знаки препинания расставлены в виде кратких, иногда мгновенных с точки зрения геологии событий массового вымирания и последующего роста разнообразия. Шкала геологического времени является картой истории, поскольку ископаемые дают нам главный критерий для фиксации последовательности горных пород во времени. Подразделения шкалы времени установлены между этими главными знаками препинания, потому что вымирания и быстрый рост разнообразия оставляют столь явные следы в палеонтологической летописи[199].

В конце концов Гулд сообщил своим студентам, что им придется воспользоваться старинным способом: запоминать наизусть эти необходимые подразделения шкалы геологического времени. Как оказалось, такой способ также наиболее эффективен для понимания и усвоения информации о резких изменениях условий окружающей среды, которые оказывали влияние на живые организмы и стали причиной вымираний и повторного заселения.

Масштабы геологического времени трудно осознать любому. Джон Макфи, журналист из The New Yorker, который восхвалял геологию Соединенных Штатов во всей ее красоте и множестве форм, писал в 1981 г. в первой из своих четырех книг о геологии «Бассейны и хребты» (Basin and Range): «Человеческий разум, возможно, недостаточно развит для того, чтобы осознать геологическую историю. Вероятно, он лишь способен ее оценить»[200].

В упрощенном варианте шкалы геологического времени (см. цветную вклейку 4.1) показана биография Земли с рождения до настоящего времени. Время представлено от древнего докембрийского суперэона, 4,55 млрд лет назад (округлено до 4,6 млрд, в нижней части шкалы до молодой кайнозойской эры и наших дней в верхней части шкалы.

Подразделениями геологического времени (от более крупных единиц к более мелким) являются эоны, эры, периоды, эпохи и века. Специалисты по стратиграфии уточняли интервалы шкалы геологического времени, выделяя более мелкие